DE4217891A1 - Biocatalyst based on polyurethane - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Biokatalysator mit immobilisierten Zellen oder Enzymen, bei dem die Zellen oder Enzyme in einer Matrix auf der Basis eines Polyurethans mit verkappten Isocyanat-Gruppen immobilisiert sind sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Biokatalysators.The invention relates to a biocatalyst with immobilized Cells or enzymes, in which the cells or enzymes in one Matrix based on a polyurethane with masked Isocyanate groups are immobilized and a process for Production of such a biocatalyst.
Biokatalysatoren mit immobilisierten Zellen oder Enzymen finden in den unterschiedlichsten Gebieten Anwendung. Die Anwendung bietet sich besonders in solchen Bereichen an, in denen die Zel len oder Enzyme nicht in dem durch Biotransformation erzeugten Produkt verbleiben können oder sollen, so z. B. bei der alkoholi schen Gärung, bei der Herstellung von Arzneimitteln oder bei der Abwasserreinigung.Find biocatalysts with immobilized cells or enzymes used in a wide variety of areas. The application is particularly useful in areas where the cell len or enzymes not in the biotransformation Product can or should remain so. B. in alcohol fermentation, in the manufacture of pharmaceuticals or in Wastewater treatment.
Matrizen aus Polyurethan-Hydrogelen weisen zwar sehr gute mecha nische Eigenschaften auf, haben allerdings den großen Nachteil, daß die zu ihrer Herstellung eingesetzten Urethanpräpolymere aufgrund der vorhandenen freien Isocyanatgruppen eine hohe Toxi zität gegenüber Zellen und Enzymen aufweisen. Die hohe Toxizität führt in der Regel zu einer mehr oder minder starken Schädigung der Zellen bei der Immobilisierung und dadurch zu einem Aktivi tätsverlust der mit diesen Urethanpräpolymeren hergestellten Biokatalysatoren im Vergleich zu freien Zellen. Matrices made of polyurethane hydrogels have very good mecha properties, but have the major disadvantage that the urethane prepolymers used to manufacture them due to the free isocyanate groups present a high toxicity cells and enzymes. The high toxicity usually leads to more or less severe damage the cells during immobilization and thereby to an activi loss of activity of those made with these urethane prepolymers Biocatalysts compared to free cells.
Zudem ist die Verarbeitung der Urethanprepolymere durch die kur ze Verarbeitungszeit starken Einschränkungen unterworfen, be dingt durch die schnellen Vernetzungsreaktionen im Bereich von Sekunden.In addition, the processing of the urethane prepolymers by the Kur ze processing time subject to severe restrictions, be due to the rapid crosslinking reactions in the range of Seconds.
Aus der JP 205 127 ist ein Verfahren zur Immobilisierung von Mi kroorganismen bekannt, bei dem wasserlösliche Urethanprapolymer- Bisulfit-Addukte eingesetzt werden. Diese Urethanprapolymer- Bisulfit-Addukte werden nach diesem Verfahren in einer wäßrigen Pufferlösung mit einem pH < 9 verarbeitet. Die Reaktionslösung wird zur Herstellung eines Biokatalysators auf eine Membran auf gesprüht.JP 205 127 describes a method for immobilizing Mi known microorganisms in which water-soluble urethane prepolymer Bisulfite adducts are used. This urethane prepolymer Bisulfite adducts are made by this process in an aqueous Processed buffer solution with a pH <9. The reaction solution is used to produce a biocatalyst on a membrane sprayed.
Diese Membranen haben allerdings den großen Nachteil, daß sie wegen ihrer geringen mechanischen Stabilität häufig nicht ein setzbar sind. Es besteht daher weiterhin ein Bedarf nach Bio katalysatoren in dreidimensionaler, stabiler Form, z. B. als Kugeln oder Fäden.However, these membranes have the major disadvantage that they often not due to their low mechanical stability are settable. There is therefore still a need for organic catalysts in three-dimensional, stable form, e.g. B. as Balls or threads.
Die der Erfindung zugrunde liegende Problemstellung ergibt sich daraus, daß ein Biokatalysator der eingangs erwähnten Art nur außerordentlich beschränkt einsetzbar ist.The problem underlying the invention arises from the fact that only a biocatalyst of the type mentioned is extremely limited use.
Ausgehend von dieser Problemstellung ist der erfindungsgemäße Biokatalysator der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeich net, daß der Biokatalysator eine dreidimensionale Form auf weist, die durch Einbringen einer ersten Lösung in eine zweite Lösung bei sofortigem Vernetzen der ersten Lösung in der zweiten Lösung herstellbar ist.Based on this problem, the invention is Characterized biocatalyst of the type mentioned net that the biocatalyst has a three-dimensional shape points by introducing a first solution into a second Solution with immediate networking of the first solution in the second Solution can be produced.
Der erfindungsgemäße Biokatalysator weist vorzugsweise eine Tropfen- oder Kugelform auf oder ist als Faden (mit oder ohne einen mechanischen Träger) hergestellt. The biocatalyst according to the invention preferably has one Drop or spherical shape on or is as a thread (with or without a mechanical support).
Der erfindungsgemäße Biokatalysator hat daher eine für Bio katalysatoren übliche Form und ist gegenüber bekannten Alginat- Katalysatoren mechanisch wesentlich stabiler. Der erfindungsge mäße Biokatalysator kann in einer biologisch nicht abbaubaren Konfiguration erstellt werden, wenn ein PCS auf der Basis eines Polyetherpolyols verwendet wird. Ist hingegen eine biologische Abbaubarkeit erwünscht, kann dies durch Ausbildung des PCS auf der Basis eines Polyesterpolyols erreicht werden.The biocatalyst according to the invention therefore has one for bio conventional form and is compared to known alginate Mechanically much more stable catalysts. The fiction moderate biocatalyst can not be biodegradable in a Configuration can be created when a PCS is based on a Polyether polyol is used. However, it is a biological one Degradability is desired, this can be done by training the PCS the base of a polyester polyol can be achieved.
Die aufgrund der geringen Verarbeitungszeit der Polyurethan- Präpolymere bisher nicht mögliche Herstellung von sphärischen Biokatalysatoren gelingt mit speziellen, erfindungsgemäßen Ver fahren.Due to the short processing time of the polyurethane Prepolymers not yet possible to produce spherical Biocatalysts succeed with special Ver drive.
Bei einem ersten dieser Verfahren werden die Zellen oder Enzyme in einer wäßrigen Lösung eines verkappten Polyurethan-Prä polymers mit einem ersten Vernetzungspartner, der mit einem nicht in der Lösung befindlichen zweiten Vernetzungspartner rea gieren kann, bei einem pH-Wert < 7 suspendiert und die so gebil dete Suspension in eine den zweiten Vernetzungspartner ent haltende zweite Flüssigkeit eingebracht. Bei oder nach Ausbil dung einer vernetzten Form wird der pH-Wert innerhalb des Kerns auf < 7 zur Vernetzung des Polyurethans angehoben.In a first of these methods, the cells or enzymes in an aqueous solution of a capped polyurethane pre polymers with a first cross-linking partner, the one with a second networking partner not in the solution rea can yaw, suspended at a pH <7 and so formed dete suspension ent in a second cross-linking partner holding second liquid introduced. At or after training A cross-linked form becomes the pH value within the core raised to <7 to crosslink the polyurethane.
Dieses Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß die verkappten Polyurethan-Präpolymere, die für Zellen oder Enzyme nicht mehr toxisch sind, bei einem pH-Wert < 7 nicht oder nur langsam ver netzen, d. h. verarbeitbar bleiben. In dieser verarbeitbaren Form wird durch Einbringen der Suspension in die zweite Flüssig keit sofort eine Formstabilisierung durch eine Vernetzungsreak tion zwischen den beiden Vernetzungspartnern erreicht. Diese Vernetzungsreaktion betrifft noch nicht die Vernetzung des Po lyurethans. Erst wenn durch die Vernetzung stabile Formen, bei spielsweise Kugeln oder Fäden sichergestellt sind, findet auch die Vernetzung des Polyurethans statt, indem der den Biokataly sator umgebende pH-Wert angehoben wird. Regelmäßig wird dies da durch geschehen, daß die zweite Flüssigkeit auf einen pH-Wert < 7 eingestellt ist. In diesem Fall muß darauf geachtet werden, daß die Vernetzungsreaktion zwischen den beiden Vernetzungs partnern schneller abläuft als die Vernetzung des Polyurethans. Das Einleiten des Polyurethan-Präpolymers in eine zweite Flüs sigkeit mit einem pH-Wert zwischen 7 und 10 ohne eine formgeben de Maßnahme würde nicht zu brauchbaren Biokatalysatorformen füh ren.This process is based on the knowledge that the masked Polyurethane prepolymers that are no longer used for cells or enzymes are toxic, with a pH <7 not or only slowly ver network, d. H. remain processable. In this processable Form is created by introducing the suspension into the second liquid form stabilization immediately through a networking craze tion between the two networking partners. These Crosslinking reaction does not yet affect the crosslinking of the bottom lyurethans. Only when stable forms through networking, at balls or threads, for example, are also found the crosslinking of the polyurethane takes place by the Biokataly surrounding pH is raised. This is there regularly by happening that the second liquid has a pH <7 is set. In this case, care must be taken that the crosslinking reaction between the two crosslinking partners runs faster than the crosslinking of the polyurethane. Introducing the polyurethane prepolymer into a second stream liquid with a pH between 7 and 10 without a shape de Measure would not lead to usable forms of biocatalysts ren.
Das bevorzugte Material für die beschriebenen Verfahren ist PCS.The preferred material for the processes described is PCS.
Für die Formgebungsreaktion kann als erster Vernetzungspartner eine ionotrope, gelbildende Flüssigkeit und als zweiter Ver netzungspartner ein ionisches Vernetzungsmittel verwendet werden. Ein geeigneter und bewährter Polyelektrolyt für diese Fälle ist Na-Alginat, das mit Ca-Ionen vernetzbar ist. In diesem Fall bildet sich mit der Suspension eine stabile Katalysator perle aus, in der das Polyurethan durch Einwirkung des pH-Wertes aushärten kann, der zwischen 7 und 10 eingestellt ist. Die Po lyurethan-Matrix entsteht dann zwischen der ausgebildeten Gelma trix, die erhalten bleiben kann. Es entstehen sogenannte "Inter penetrating Networks".The first crosslinking partner can be used for the shaping reaction an ionotropic, gel-forming liquid and as a second ver an ionic crosslinking agent will. A suitable and proven polyelectrolyte for this One case is Na alginate, which can be crosslinked with Ca ions. In this Fall forms a stable catalyst with the suspension pearl out in the polyurethane by exposure to pH can harden, which is set between 7 and 10. The butt lyurethane matrix is then formed between the gelma formed trix that can be preserved. So-called "Inter penetrating networks ".
In einer alternativen Ausführungsform kann das ionische Ver netzungsmittel der Suspension zugegeben werden und die zweite Flüssigkeit die gelbildende Flüssigkeit aufweisen. In diesem Fall entsteht beim Eintropfen oder Eindüsen der Suspension in die zweite Flüssigkeit eine Vernetzung von innen nach außen, also von der Suspension in die zweite Flüssigkeit hinein, wo durch die zweite Flüssigkeit eine Hülle um die Suspension herum ausbildet. Beim Eintropfen der Suspension entstehen Hohlkugeln, die die Form der Suspension beim Aushärten des Polyurethans hal ten. Es entsteht somit ein vernetzter Polyurethankern mit einer Hülle aus beispielsweise Alginat. Diese Hülle kann anschließend entfernt werden.In an alternative embodiment, the ionic ver wetting agents are added to the suspension and the second Liquid which has a gel-forming liquid. In this Case arises when the suspension is dropped or injected the second liquid is a network from the inside out, So from the suspension into the second liquid, where through the second liquid a shell around the suspension trains. When the suspension is dropped, hollow spheres are formed, the hal the shape of the suspension when curing the polyurethane A cross-linked polyurethane core with a Shell made of alginate, for example. This envelope can then be removed.
Ein weiteres Verfahren besteht darin, als Vernetzungspartner zwei miteinander vernetzende Monomere zu verwenden, die beim Einbringen der Suspension in die zweite Flüssigkeit eine Grenz schicht-Polymerisation bewirken und somit ebenfalls eine Hülle aus dem gebildeten Polymer um die Suspension herum ausbilden und so die Form der Suspension während der Polyurethanaushärtung be stimmen. Auch diese Hülle kann nach der Aushärtung des Polyur ethans entfernt werden.Another method is as a networking partner to use two crosslinking monomers, which in Introduce the suspension into the second liquid a limit cause layer polymerization and thus also a shell form from the polymer formed around the suspension and so be the shape of the suspension during polyurethane curing vote. This shell can also be used after curing the polyurethane be removed ethans.
Es ist weiterhin möglich, zur Formgebung, d. h. zur Ausbildung einer stabilisierenden Hülle, zwei Polyelektrolyte als Vernet zungspartner zu verwenden. Dabei befindet sich in der Suspension zweckmäßigerweise ein quartäres Ammoniumsalz wie z. B. Polydime thyldiallylammoniumchlorid. Die zweite Flüssigkeit enthält dann ein weiteres Polyelektrolyt, das beim Einleiten der Suspension sofort mit dem in der Suspension befindlichen Polyelektrolyten vernetzt, wodurch die Form des Katalysators stabilisiert wird. Im Fall des oben erwähnten Polydimethyldiallylainmoniumchlorids kann z. B. Cellulosesulfat als Vernetzungsmittel verwendet wer den. Die Vernetzung des Polyurethans erfolgt im Anschluß an die Ausbildung der Hülle ebenfalls durch Einwirkung des pH-Wertes, der vorzugsweise zwischen 7 und 10 eingestellt ist. Die durch Polyelektrolyt-Polyelektrolyt-Vernetzung gebildete Hülle ist so dünn, das sie bei diesem Verfahren nicht entfernt werden muß.It is also possible to shape, i. H. for training a stabilizing shell, two polyelectrolytes as a network partner to use. It is in the suspension expediently a quaternary ammonium salt such as. B. Polydime thyldiallylammonium chloride. The second liquid then contains Another polyelectrolyte that is used when introducing the suspension immediately with the polyelectrolyte in the suspension cross-linked, whereby the shape of the catalyst is stabilized. In the case of the polydimethyldiallylainmonium chloride mentioned above can e.g. B. cellulose sulfate used as a crosslinking agent the. The polyurethane is crosslinked after the Formation of the casing also by the action of the pH value, which is preferably set between 7 and 10. By Polyelectrolyte-polyelectrolyte crosslinking is formed like this thin that it does not have to be removed in this process.
Eine Alternative zu der bisher beschriebenen Formgebung durch Vernetzung zweier Vernetzungspartner ist dadurch gegeben, daß die Formgebung durch eine geeignete Temperaturwahl erfolgt. Auch hierbei wird die Suspension bei einem pH-Wert < 7 bei einer ersten Temperatur verarbeitbar gehalten. Die erste Temperatur kann für PCS Raumtemperatur sein. Die Suspension wird dann in die zweite Flüssigkeit eingeleitet, die den für die Aushärtung des Polyurethans erforderlichen höheren pH-Wert aufweist und auf eine zweite Temperatur eingestellt ist, die höher ist als die erste Temperatur und bei der das Polyurethan-Präpolymer nicht mehr wasserlöslich ist und sofort formhaltend ausfällt. In der ausgefällten Phase findet dann die Vernetzung des Polyurethans statt. Die zweite Flüssigkeit kann eine Pufferlösung sein. Für PCS liegt eine geeignete zweite Temperatur zwischen 38 und 40°C. An alternative to the shape described so far Networking of two networking partners is given by the fact that the shaping takes place through a suitable temperature selection. Also here the suspension is at a pH <7 at a first temperature kept processable. The first temperature can be room temperature for PCS. The suspension is then in the second liquid is introduced, which is used for curing of the polyurethane required higher pH and a second temperature is set that is higher than that first temperature and at which the polyurethane prepolymer is not is more water-soluble and immediately keeps its shape. In the precipitated phase then cross-links the polyurethane instead of. The second liquid can be a buffer solution. For PCS a suitable second temperature is between 38 and 40 ° C.
Ein bevorzugtes Einbringen der Suspension in die zweite Flüssig keit erfolgt durch Eintropfen. Dabei entstehen für alle beschriebenen Verfahren Kugel- oder Tropfenformen für den Bioka talysator.A preferred introduction of the suspension into the second liquid speed is achieved by dropping. This creates for everyone described methods spherical or teardrop shapes for the bioka talysator.
Alternativ dazu ist es möglich, die Suspension als kontinuier lichen Flüssigkeitsstrahl in die zweite Flüssigkeit einzuleiten, wodurch ein fadenförmiger Biokatalysator erzeugbar ist.Alternatively, it is possible to use the suspension as a continuous to introduce the liquid jet into the second liquid, whereby a thread-like biocatalyst can be produced.
Ferner ist es möglich, mit der Suspension mit einer zentralen Düse einen Tropfen auszubilden, der bei seiner Entstehung mit der zweiten Flüssigkeit umgeben wird. Dies ist durch eine die erste zentrale Düse umgebende ringförmige Düse möglich, also mit der Anordnung einer bekannten Zweistoffdüse.It is also possible to use the suspension with a central Nozzle to form a drop that coincides with its formation the second liquid is surrounded. This is through one first annular nozzle surrounding annular nozzle possible, ie with the arrangement of a known two-component nozzle.
Weiterhin ist es mit der bekannten Zweistoffdüse möglich, einen als Hohlkugel oder Hohlfaser ausgebildeten Biokatalysator herzu stellen. Dazu wird eine Zellsuspension, die ggfs. ein Mittel zur Erhöhung der Viskosität enthält, aus einer zentralen Düse ausge tragen, während gleichzeitig als einer die zentrale Düse umge benden ringförmigen Düse eine Lösung, die das PCS-Präpolymer und z. B. Ca-Ionen enthält, gleichzeitig ausgetragen wird, so daß der aus der ersten zentralen Düse austretende Flüssigkeitstropfen oder -strahl von der aus der zweiten ringförmigen Düse austre tenden Flüssigkeit umschlossen wird. Die Vernetzung erfolgt dann auf die bereits beschriebene Art durch eine zweite Flüssigkeit.Furthermore, it is possible with the known two-component nozzle formed as a hollow sphere or hollow fiber biocatalyst put. For this purpose, a cell suspension, which may be a means for Increase in viscosity contains from a central nozzle wear while at the same time reversing the central nozzle the annular nozzle a solution that the PCS prepolymer and e.g. B. contains Ca ions, is discharged simultaneously, so that Drops of liquid emerging from the first central nozzle or jet emerging from the second annular nozzle liquid is enclosed. The networking then takes place in the manner already described by a second liquid.
Der besondere Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Ausbildung einer Hohlkugel, deren Gelschicht zellfrei ist und in deren In neren eine ungehinderte Vermischung des durch die Gelschicht hineindiffundierenden Substrats mit der Suspension möglich ist.The particular advantage of this procedure lies in the training a hollow sphere, the gel layer of which is cell-free and in the In an unimpeded mixing of the gel layer diffusing substrate with the suspension is possible.
Das PCS-Präpolymer ist bei einem pH-Wert < 2 und bei einer Tem peratur unter -18°C unbeschränkt lagerfähig. Es kann für alle Verfahren vor der Verarbeitung auf einen für die Zellen oder En zyme verträglichen pH-Wert von 4 bis 6 eingestellt werden. The PCS prepolymer is at a pH <2 and at a tem temperature below -18 ° C for unlimited storage. It can be for everyone Procedure before processing on one for the cells or En zyme compatible pH from 4 to 6 can be adjusted.
Für die Verarbeitung der Urethanprepolymere und die Formgebung des Biokatalysators ist die Gelzeit und die Viskosität der die Zellen oder Enzyme enthaltenden Präpolymer-Suspension von beson derer Bedeutung. Wichtig ist außerdem die Wasserlöslichkeit der Präpolymere, damit auf den Einsatz von Cosolventien verzichtet werden kann.For processing urethane prepolymers and shaping of the biocatalyst is the gel time and the viscosity of the Prepolymer suspension of particular containing cells or enzymes their meaning. The water solubility of the is also important Prepolymers, so that no cosolvents are used can be.
Im Einklang mit bereits 1959 veröffentlichten Ergebnissen (Bailey Jr., F.E., Collard, R.W., J. Appl. Polym. Sci. 1 (1959) Nr.1, S. 59-62) wurde herausgefunden, daß mit steigendem Poly ethylenoxid-Gehalt der aus Polyethylenoxid- und Polypropylen oxid-Einheiten zusammengesetzten Polymerketten der hier unter suchten Urethanprapolymere die Wasserlöslichkeit zunimmt, wäh rend bei zunehmendem Molekulargewicht und bei steigender Salz konzentration in der Lösung die Wasserlöslichkeit erwartungsge mäß abnimmt. Dementsprechend werden in einer vorteilhaften Aus gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens Urethanprepolymere eingesetzt, die einen Polyethylenoxid-Anteil von über 70% auf weisen.In line with results published in 1959 (Bailey Jr., F.E., Collard, R.W., J. Appl. Polym. Sci. 1 (1959) No. 1, pp. 59-62) it was found that with increasing poly ethylene oxide content of polyethylene oxide and polypropylene polymer units composed of oxide units here were looking for urethane prepolymers that increase water solubility while rend with increasing molecular weight and with increasing salt concentration in the solution the water solubility expected decreases moderately. Accordingly, in an advantageous design of the method according to the invention urethane prepolymers used that have a polyethylene oxide content of over 70% point.
Durch Viskositätsmessung wurde ermittelt, in welchem Viskosi tätsbereich ein optimales Tropfverhalten zur Herstellung annä hernd sphärischer Biokatalysatoren erzielt wird. Erfindungsgemäß werden dementsprechend in einer bevorzugten Ausgestaltung Prepo lymer-Konzentrationen von vorzugsweise 10-20% zu dem obenge nannten Biokatalysator verarbeitet. Insbesondere werden in be sonders bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens die Konzen trationen an Prepolymeren auf 15% bei dem pH von 4 (PCS 15-4), 12.5% bei einem pH von 5 (PCS 12.5-5) und auf 10% bei einem pH von 6 (PCS 10-6) eingestellt.The viscosity was used to determine the viscosity optimal drip behavior for the production approx spherical biocatalysts is achieved. According to the invention are accordingly in a preferred embodiment prepo lymer concentrations of preferably 10-20% to the above called biocatalyst processed. In particular, be particularly preferred configurations of the method are the concents ratios of prepolymers to 15% at the pH of 4 (PCS 15-4), 12.5% at a pH of 5 (PCS 12.5-5) and to 10% at a pH set from 6 (PCS 10-6).
Durch Verwendung der Urethanpräpolymer-Bisulfit-Addukte, andere Bezeichnung Polycarbamoylsulfonate (PCS), entsprechend dem vor liegenden Verfahren, ist es möglich, Biokatalysatoren herzustel len, deren Aktivität zumindest vergleichbar mit der von Biokata lysatoren auf der Basis von Biopolymeren, wie Ca-Alginat, Kali um-Karrageenan etc. ist. Dieser vorteilhafte Effekt beruht nicht nur auf der durch die Reaktion mit Bisulfit erfolgten Verkappung der reaktiven und toxischen Isocyanatgruppen, sondern auch, weil die Verkappungsreaktion in einem Wasser/Isopropanol-Gemisch erfolgt und das Isopropanol nach der Reaktion weitestgehend ent fernt werden kann, wobei in der Praxis geringe Isopropanol-Rück stände in dem PCS-Präpolymer verbleiben, die praktisch keinen toxischen Einfluß auf die zu immobilisierenden Zellen oder Enzy me ausüben.By using the urethane prepolymer bisulfite adducts, others Designation Polycarbamoylsulfonate (PCS), corresponding to the before lying processes, it is possible to produce biocatalysts len, whose activity is at least comparable to that of biocata analyzers based on biopolymers, such as Ca alginate, potassium um-karrageenan etc. This beneficial effect is not based only on the capping caused by the reaction with bisulfite of the reactive and toxic isocyanate groups, but also because the capping reaction in a water / isopropanol mixture takes place and the isopropanol largely after the reaction ent can be removed, with low isopropanol back in practice remains in the PCS prepolymer, which are practically none toxic influence on the cells or enzymes to be immobilized me exercise.
Die Erfindung soll im folgenden anhand von Beispielen im Zusam menhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:In the following, the invention is intended to be used together with examples menhang with the drawings are explained in more detail. Show it:
Fig. 1 ein Diagramm der Zellaktivität von S. cerevisiae; Fig. 1 is a diagram of cell activity of S. cerevisiae;
Fig. 2 ein Diagramm zur Abhängigkeit der Gelzeit von dem pH-Wert; Fig. 2 is a graph showing the dependence of the gel time of the pH;
Fig. 3 ein Diagramm zum optimalen Tropfverhalten am Bei spiel von drei verschiedenen PCS-Lösungen; Fig. 3 is a diagram of the optimal dripping behavior at the game of three different PCS solutions;
Fig. 4 ein Schema zur Herstellung von PCS-Kugeln; Fig. 4 is a scheme for the preparation of PCS-spheres;
Fig. 5a ein Diagramm zum Vergleich der Ethanolbildung durch S. cerevisiae in verschiedenen Polymermatrizes; FIG. 5a is a graph comparing the formation of ethanol by S. cerevisiae in various polymer matrices;
Fig. 5b ein Diagramm der relativen Ethanolbildungsaktivität von S. cerevisiae in einer Ca-Alginat- und einer Po lyurethan-Matrix; Fig. 5b is a diagram of the relative ethanol formation activity of S. cerevisiae in a Ca-alginate and a polyurethane matrix;
Fig. 6 ein Diagramm zum Vergleich der Nitratabbauaktivität immobilisierter Zellen von P. denitrificans in Ma trizes auf Basis von verschiedenen NCO-Präpolymeren; Fig. 6 is a graph comparing the nitrate removal activity of immobilized cells of P. denitrificans in Ma trizes different based on NCO prepolymers;
Fig. 7a ein Diagramm des Ammoniumabbaus mit freien und immo bilisierten Nitrifikanten; Figure 7a is a diagram of the ammonium-free and degradation with immo-stabilized nitric bacteria.
Fig. 7b ein Diagramm zur relativen Ammoniumabbauaktivität von Biokatalysatoren auf der Basis von Polyurethan und Ca-Alginat. FIG. 7b is a diagram of the relative ammonium degradation activity of biocatalysts on the basis of polyurethane and calcium alginate.
Zur Herstellung der PCS-Präpolymere werden 20 g Polyetherpolyol mit einem Molekulargewicht von 2000 bis 4000 und einem Polyethylenoxid-Anteil < 70% und 1.56 g TDI 80 (Toluylen diisocyanat, Isomerenverhältnis 2,4/2,6 ist 80/20) vermischt und in einem verschlossenen PE-Gefäß 25 Stunden auf 75°C gehalten. 20 g of polyether polyol are used to produce the PCS prepolymers with a molecular weight of 2000 to 4000 and one Polyethylene oxide content <70% and 1.56 g TDI 80 (toluene diisocyanate, isomer ratio 2.4 / 2.6 is 80/20) mixed and kept in a sealed PE vessel at 75 ° C for 25 hours.
Das auf diese Weise erhaltene Urethanprepolymer (PU-1) wird an schließend in Isopropanol gelöst. Zu einer Mischung von 40 g Präpolymer auf 60 g Isopropanol wird unter starkem Rühren eine Mischung aus 4.1 g Na-Bisulfit in 68 g destilliertem Wasser ge geben. Nach 15 Minuten wird die Reaktion durch Einstellen des pH-Wertes auf 1.5 mittels konzentrierter Salzsäure abgebrochen. Anschließend wird das Isopropanol bei 100 mbar und 40°C abgezo gen.The urethane prepolymer (PU-1) obtained in this way turns on finally dissolved in isopropanol. To a mixture of 40 g Prepolymer to 60 g of isopropanol is a with vigorous stirring Mixture of 4.1 g Na bisulfite in 68 g distilled water give. After 15 minutes the reaction is stopped by adjusting the pH value to 1.5 aborted using concentrated hydrochloric acid. The isopropanol is then stripped off at 100 mbar and 40 ° C. gene.
Der Wassergehalt des so erhaltenen Produktes wird rechnerisch und der Sulfitgehalt titrimetrisch bestimmt. Der pH-Wert des Produktes wird nötigenfalls wieder auf 1.5 korrigiert, damit es während der Lagerung nicht zu einem Viskositätsanstieg des PCS- Präpolymers aufgrund von Vernetzungsreaktionen kommt.The water content of the product thus obtained is calculated and the sulfite content was determined titrimetrically. The pH of the If necessary, the product is corrected again to 1.5 so that it does not increase the viscosity of the PCS Prepolymer due to cross-linking reactions.
Um den Einfluß der Verkappung auf die Toxizität der Isocyanat gruppen zu untersuchen, wurde die Wirkung von Toluylendiisosya nat und dem TDI-Bisulfit-Addukt auf Saccharomyces cerevisiae überprüft. Fig. 1 zeigt dabei sehr deutlich, daß schon bei sehr geringen Konzentrationen an freiem TDI nur noch eine Restaktivi tät der Mikroorganismen zu verzeichnen ist, während der Einfluß des TDI-Bisulfit-Adduktes auf S. cerevisiae über einen großen Konzentrationsbereich sehr gering ist.In order to investigate the influence of the capping on the toxicity of the isocyanate groups, the effect of tolylene diisocyanate and the TDI bisulfite adduct on Saccharomyces cerevisiae was checked. Fig. 1 shows very clearly that even at very low concentrations of free TDI there is only a residual activity of the microorganisms, while the influence of the TDI bisulfite adduct on S. cerevisiae is very small over a large concentration range.
Die für die Verarbeitung des PCS-Präpolymers besonders wichtigen Parameter, Gelzeit und Viskosität, sind eingehend untersucht worden. Die Ergebnisse sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Fig. 2 zeigt, daß das PCS-Präpolymer bei einem pH < 7 bzw. < 10 nur sehr langsam aushärtet und somit in einem verarbeitungsfähi gen Zustand ist. In dem pH-Bereich von 7-10 sinkt die Vernet zungszeit rapide ab und findet ihr Minimum bei einem pH von et was über 9, bei dem sie im Sekundenbereich liegt. Der optimale pH-Bereich für die Vernetzungsreaktion ist ungefähr 8.5 bis 9.5. The parameters, gel time and viscosity, which are particularly important for the processing of the PCS prepolymer, have been examined in detail. The results are shown in FIGS. 2 and 3. Fig. 2 shows that the PCS prepolymer cures very slowly at a pH <7 or <10 and is thus in a processable condition. In the pH range of 7-10, the crosslinking time drops rapidly and finds its minimum at a pH of something above 9, at which it is in the seconds range. The optimal pH range for the crosslinking reaction is approximately 8.5 to 9.5.
In Fig. 3 ist das Tropfverhalten von Lösungen mit verschiedenen PCS-Konzentrationen bei bestimmten pH-Werten dargestellt. Als Maß hierfür dient die dynamische Viskosität in Abhängigkeit von der Meßdauer. Sie wurde in einem Rotationsviskosimeter (nach DIN) bei Drep = 704 s-1 gemessen. Für die drei vermessenen PCS-Lö sungen ergibt sich hieraus, daß eine ausreichend lange Verarbei tungszeit erreicht wird. Eine ausreichend lange Verarbeitungs zeit ist Voraussetzung, um die Form ,des jeweils herzustellenden Biokatalysators hinreichend beeinflussen zu können.In Fig. 3, the dripping behavior of solutions having different concentrations PCS at certain pH values is illustrated. The dynamic viscosity as a function of the measurement duration serves as a measure of this. It was measured in a rotary viscometer (according to DIN) at D rep = 704 s -1 . For the three measured PCS solutions, this means that a sufficiently long processing time is achieved. A sufficiently long processing time is a prerequisite for being able to influence the shape of the biocatalyst to be produced in a sufficient manner.
Um aus Polycarbamoylsulfonaten sphärische Partikel zu erzeugen, wird eine Lösung hergestellt, die 10% PCS-Präpolymer, das nach Beispiel 1 dargestellt wurde, und 2% CaCl2 in Wasser enthält. Der pH-Wert dieser Lösung wird auf 6 eingestellt und die Zell masse zur Herstellung des Biokatalysators zugemischt. Anschlie ßend wird die Mischung in eine leicht alkalische Na-Alginat-Lö sung eingetropft. Um die Tropfen bilden sich sofort Hüllen aus Ca-Alginat, die die Form stabilisieren. Aufgrund der Vernet zungsreaktion im PCS-Kern, die durch die Hydroxylionen, die durch die Ca-Alginat-Hülle diffundieren, ausgelöst wird, sinkt der pH-Wert durch Freisetzung von schwefliger Säure leicht in den sauren Bereich ab. Durch Gegentitrieren mit NaOH wird der pH der Lösung im leicht alkalischen Bereich gehalten.In order to produce spherical particles from polycarbamoylsulfonates, a solution is prepared which contains 10% PCS prepolymer, which was prepared according to Example 1, and 2% CaCl 2 in water. The pH of this solution is adjusted to 6 and the cell mass is mixed in to produce the biocatalyst. The mixture is then dripped into a slightly alkaline Na alginate solution. Ca alginate shells immediately form around the drops and stabilize the shape. Due to the cross-linking reaction in the PCS core, which is triggered by the hydroxyl ions that diffuse through the Ca-alginate shell, the pH value drops slightly into the acidic range due to the release of sulfurous acid. The pH of the solution is kept in the slightly alkaline range by counter-titration with NaOH.
Nach 15 Minuten können die erhaltenen Perlen aus der Na-Alginat- Lösung genommen und in eine andere Lösung eingebracht werden, die einen leicht alkalischen pH aufweist. Zur Aushärtung des Kerns verbleiben die Perlen 1 bis 2 Stunden in dieser Lösung, wobei wenigstens in der ersten Zeit mit NaOH nachtitriert wird, um den pH-Wert im leicht Alkalischen zu halten.After 15 minutes, the beads obtained from the Na alginate Solution and put in another solution, which has a slightly alkaline pH. To cure the The core remains in this solution for 1 to 2 hours, at least in the first time it is re-titrated with NaOH, to keep the pH slightly alkaline.
Im Anschluß daran wird die Alginathülle mit Phosphatpuffer oder durch Rühren entfernt.The alginate shell is then covered with phosphate buffer or removed by stirring.
In Fig. 4 ist die in diesem Beispiel angewendete Verfahrenswei se zur Herstellung von PCS-Perlen durch ionotrope Gelbildung graphisch dargestellt. Zuerst wird die PCS-Lösung mit einer CaCl2-Lösung vermischt und der pH-Wert der Mischung eingestellt. Anschließend wird die Zellmasse hinzugefügt und in der Lösung suspendiert. Der entscheidende Schritt zur Herstellung von PCS- Perlen erfolgt, indem die Suspension mittels einer Spritze oder einer bekannten Immobilisierungsapparatur in eine Na-Alginat-Lö sung mit einem pH von 8.5 eingetropft wird. Die dabei stattfin dende simultane ionotrope Hüllenbildung und baseninduzierte Ver netzung des Kerns ist noch einmal hervorgehoben. Entsprechend der eingezeichneten Diffusionsrichtung der Ca- und Hydroxyl-Io nen findet die Vernetzung der Ca-Alginat-Hülle von innen nach außen statt, während der Kern von außen nach innen vernetzt. Der letzte Verfahrensschritt ist das Ablösen der Ca-Alginat-Hülle, das nach dem vollständigen Aushärten des Kerns erfolgt.In Fig. 4, the procedure used in this example for the production of PCS beads by ionotropic gelation is shown graphically. First the PCS solution is mixed with a CaCl 2 solution and the pH of the mixture is adjusted. The cell mass is then added and suspended in the solution. The decisive step in the production of PCS beads is done by dropping the suspension into a Na alginate solution with a pH of 8.5 using a syringe or a known immobilization apparatus. The simultaneous ionotropic shell formation and base-induced crosslinking of the core taking place is emphasized once again. Depending on the direction of diffusion of the Ca and hydroxyl ions, the Ca alginate shell is cross-linked from the inside to the outside, while the core cross-links from the outside to the inside. The last step in the process is the removal of the Ca-alginate shell, which takes place after the core has fully hardened.
Bei der umgekehrten Variante des Verfahrens wird eine Zellsus pension, die 5% PCS-Präpolymer und 2% Na-Alginat enthält und auf einen pH-Wert von 4,5 eingestellt ist, in eine Pufferlösung mit einem pH von 8,5, die mit 2% CaCl2 versetzt ist, getropft. Beim Eintropfen entstehen Biokatalysator-Perlen, die nach ein bis zwei Stunden ausgehärtet sind.In the reverse variant of the method, a Zellsus pension, which contains 5% PCS prepolymer and 2% Na alginate and is adjusted to a pH of 4.5, is added to a buffer solution with a pH of 8.5 2% CaCl 2 is added, added dropwise. When dripped in, biocatalyst beads form which harden after one to two hours.
Eine weitere Möglichkeit zur Stabilisierung der Form des Kataly sators erfolgt thermisch. Dabei wird eine 15%ige Lösung von PCS- Präpolymer in Wasser auf ungefähr pH 6 voreingestellt. Diese Lö sung wird aus einer Spritze in eine auf 40°C erwärmte, 0.1 n Pufferlösung (Phosphatpuffer, pH 8.5) eingetropft. Beim Ein tropfen färben sich die Polymertropfen sofort milchig weiß und behalten ihre Form bei. Nach einiger Zeit sind die Perlen durch den leicht basischen pH-Wert ausgehärtet.Another way to stabilize the shape of the Kataly sator is thermal. A 15% solution of PCS Prepolymer pre-set in water to approximately pH 6. This Lö solution is taken from a syringe into a 0.1 n heated to 40 ° C Buffer solution (phosphate buffer, pH 8.5) added dropwise. When on the polymer drops immediately turn milky white and keep their shape. After a while the pearls are gone the slightly basic pH is cured.
In einem weiteren Verfahren wird die stabilisierende Hülle durch Polyelektrolyt-Polyelektrolyt-Vernetzung gebildet. Dabei ist die Suspension auf pH 6 eingestellt und enthält 10% PCS-Präpolymer sowie 1% Polydimethyldiallylammoniumchlorid. Diese Lösung wird in eine zweite Lösung getropft, die auf pH 8.5 eingestellt ist und 1.5% Zellulosesulfat enthält. Beim Eintropfen in die zweite Lösung bildet sich unter Formerhaltung sofort eine dünne Hülle aus. Die Vernetzung des Kerns erfolgt dann durch Diffusion der Hydroxylionen durch diese Hülle von außen nach innen. Die gebil dete Hülle ist so dünn, daß sie den Stofftransport im und aus dem Katalysator nicht behindert. Sie braucht deshalb nicht ent fernt zu werden.In a further process, the stabilizing shell is passed through Polyelectrolyte-polyelectrolyte crosslinking formed. Here is the Suspension adjusted to pH 6 and contains 10% PCS prepolymer and 1% polydimethyldiallylammonium chloride. This solution will dropped into a second solution which is adjusted to pH 8.5 and contains 1.5% cellulose sulfate. When dripping into the second Solution immediately forms a thin shell while maintaining its shape out. The core is then cross-linked by diffusion Hydroxyl ions through this shell from the outside in. The born dete cover is so thin that it moves the substance in and out does not hinder the catalyst. Therefore, it does not need ent to be distant.
Um einen Vergleich von den erfindungsgemäßen Katalysatoren mit solchen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind zu ermögli chen, sind nachfolgend die Ergebnisse von drei Vergleichsunter suchungen dargestellt:To compare the catalysts of the invention with to allow those that are known from the prior art The following are the results of three comparison subjects searches shown:
In den Fig. 5a und 5b ist die Aktivität verschiedener Bioka talysatoren mit immobilisierten Zellen von Saccharomyces cerevi siae im Vergleich zu freien Zellen dargestellt. Während die Ak tivität von Biokatalysatoren auf der Basis von Alginat bzw. PCS nur geringfügig voneinander abweichen, zeigen Biokatalysatoren auf der Basis von nicht verkappten Polyurethanprepolymeren (PU- 1) eine deutlich geringere Aktivität.In FIGS. 5a and 5b is the activity of various Bioka talysatoren with immobilized cells of Saccharomyces cerevi siae shown in comparison to free cells. While the activity of biocatalysts based on alginate or PCS differ only slightly, biocatalysts based on uncapped polyurethane prepolymers (PU-1) show a significantly lower activity.
Fig. 5b zeigt deutlich, daß Biokatalysatoren aus PCS-Perlen in der Aktivität der Ethanolbildung eine konkurrenzfähige Alterna tive zu Ca-Alginat-Biokatalysatorperlen darstellen. Fig. 5b clearly shows that biocatalysts from PCS beads are a competitive alternative to Ca-alginate biocatalyst beads in the activity of ethanol formation.
In der Fig. 6 ist ein Vergleich der Nitratabbauaktivität von Paracoccus denitrificans in Matrizes auf Basis von verschiedenen NCO-Präpolymeren und dem PCS-Präpolymer dargestellt. Es zeigt sich ganz deutlich, daß die Biokatalysatoren auf PCS-Basis über eine relativ große Aktivität verfügen, während die Biokatalysa toren auf der Basis anderer Urethanpräpolymere praktisch inaktiv sind. FIG. 6 shows a comparison of the nitrate degradation activity of Paracoccus denitrificans in matrices based on various NCO prepolymers and the PCS prepolymer. It can be seen very clearly that the PCS-based biocatalysts have a relatively high activity, while the biocatalysts based on other urethane prepolymers are practically inactive.
In den Fig. 7a und 7b ist die Ammoniumabbauaktivität von im mobilisierten Nitrifikanten (hauptsächlich Nitrobacter winograd skyi und Nitrosomonas europeae) dargestellt. Es zeigt sich, daß in diesem Fall die Aktivität von Biokatalysatoren auf PCS-Basis von anderen Immobilisaten nicht erreicht wird. In FIGS. 7a and 7b, the ammonium degradation activity of mobilized in nitrifying bacteria (mainly Nitrobacter winograd sKyi and Nitrosomonas europeae) is shown. It turns out that in this case the activity of PCS-based biocatalysts is not achieved by other immobilizates.
Es muß jedoch hervorgehoben werden, daß in allen Beispielen die Aktivität der freien Zellen größer ist als die der immobilisier ten Zellen. Es muß angenommen werden, daß eine gewisse Schädi gung der Zellen durch den Immobilisierungsschritt für die Akti vitätseinbuße ausschlaggebend ist. Diese Aktivitätseinbuße tritt auch bei der gemeinhin als sehr schonend bezeichneten ionotropen Gelbildung mit Ca-Alginat auf. Biokatalysatoren auf PCS-Basis zeigen dabei in der Regel eine vergleichbare oder sogar größere Aktivität als Biokatalysatoren auf der Basis von Ca-Alginat. Einzig bei der Nitratabbauaktivität konnten Biokatalysatoren auf Basis von PCS die Aktivität von Biokatalysatoren auf Ca-Alginat nicht erreichen. Im Gegensatz dazu zeigen Biokatalysatoren auf der Basis von nicht verkappten Urethanpräpolymeren in allen Fäl len eine verschwindend geringe bzw. gar keine Aktivität.However, it must be emphasized that in all examples the Free cell activity is greater than that of immobilized cells. It must be assumed that a certain pest delivery of the cells through the immobilization step for the acti loss of vitality is decisive. This loss of activity occurs even with the ionotropic, which is commonly referred to as very gentle Gel formation with Ca alginate. PCS-based biocatalysts usually show a comparable or even larger one Activity as biocatalysts based on Ca alginate. Only in the nitrate degradation activity could biocatalysts Based on PCS the activity of biocatalysts on Ca alginate do not reach. In contrast, biocatalysts show the basis of uncapped urethane prepolymers in all cases len a negligible or no activity.
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